[理学]单元2_功率二极管.ppt

1 *1*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件第2章 功率二极管2.1 半导体基础2.2 常见的半导体分立器件2.3 功率二极管2.4 功率二极管的散热措施**2 *2*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件2.1 半导体基础一、半导体的基本特性(1)室温电阻率约在10-3～106Ωcm ，介于金属和绝缘体之间 良好的金属导体: 10-6 Ωcm典型绝缘体: 1012 Ωcm**3 *3*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件(2)具有负的温度系数，即电阻一 般随温度上升而下降；金属的电阻 随温度上升而上升3)具有较高的温差电动势率，而且 温差电动势可为正或为负；金属的 温差电动势率总是负的4 *4*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件(4)与适当金属接触或做成P-N结后， 电流与电压呈非线性关系，具有整流 效应5)具有光敏性，用适当的光照后材 料后电阻率会发生变化，产生光电 导；**5 *5*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件(6)半导体中存在电子和空穴两种载 流子。

7)杂质的存在对电阻率产生很大的影 响上述这些特性使半导体有别与金属和绝 缘体而自归一类,需要指出的是,半导体 与金属和绝缘体之间并不存在严格界限 6 *6*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件常见的半导体材料元素半导体元素半导体化合物半导体化合物半导体硅（硅（SiSi））锗（锗（GeGe））ⅢⅢ族元素族元素[ [如铝如铝(Al)(Al)、、镓镓 ( (GaGa) )、、铟铟( (在在)] )]和和ⅤⅤ族元族元 素素[ [如磷如磷(P)(P)、、砷砷( (同样地同样地) ) 、锑、锑( (SbSb)] )]合成的合成的ⅢⅢ- -ⅤⅤ 族化合物都是半导体材族化合物都是半导体材 料料 **7 *7*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件二、半导体与金属中的载流子电导率 ：金属中的载流子浓度与原子密度同数 量级，且不随温度变化而明显变化， 其典型值为1022～1023cm-3μ—迁移率（载流子在单位电场中的漂移速度）金属中的载流子只有电子（价电子）**8 *8*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件半导体中的载流子有电子和空穴电导率 ：n、p是电子和空穴的浓度μn、 μp为电子和空穴的迁移率**9 *9*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件本征半导体：完全洁净的、原子完全洁净的、原子 周期性排列周期性排列电导率 ： 本征载流子浓度 ：**10 *10*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件在室温（T=300K）下： ni （Ge）≌2.4×1013cm-3ni （Si） ≌1.5×1010cm-3ni （GaAs） ≌1.6×106cm-3**11 *11*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件本征载流子浓度和样品温度的关系**12 *12*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件杂质半导体：本征半导体内掺入微量的杂质，使半 导体的导电能力显著变化，这种半导 体称为杂质半导体半导体中杂质：施主杂质和受主杂质**13 *13*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件多数载流子： P型半导体中的空穴、 N型半导体中的电子称为多数载流子少数载流子： P型半导体中的电子、 N型半导体中的空穴称为少数载流子P型半导体：主要依靠空穴导电的半 导体（掺入三价元素）N型半导体：主要依靠电子导电的半 导体（掺入五价元素）**14 *14*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件杂质半导体中的载流子来源 于：本征激发和杂质电离**15 *15*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件n型Si中电电子浓浓度n与温度T的关系：杂质离化区饱和区本征激发区**16 *16*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件半导体导电具有热敏性，因此器件都有一定的工作温度 结论：结论：**17 *17*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件三、 PN结1. PN结的形成 2. PN结的单向导电性 3. PN结的穿通 4. PN结的反向击穿 5. PN结的电容效应 6. PN结的动态特性**18 *18*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件• • •• • •• • • • • • ￮ ￮ ￮￮ ￮ ￮ ￮ ￮ ￮￮ ￮ ￮1. PN结的形成PN结是指P型半导体和N型半导体的 结合部空间电荷层P型N型**19 *19*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件合金法——形成突变结，杂质浓度、掺杂厚度不 易控制，早期电力半导体器件采用扩散工艺——形成缓变结，大功率电子器件采用离子注入 ——最高注入深度只有20um，只在电力 半导体器件制造业中小范围使用外延生长——容易获得理想的突变结，但生长层 越厚，晶体结构的完美性越不易保证，对衬底表 面要求较高，因而在电力器件，特别是高耐压的 器件制造工艺中较少采用，但在功率集成电路和 一些新型的电力器件制造工艺中则被普遍采用， 如快恢复二极管。

形成PN结的工艺技术**20 *20*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件Thermal Equilibrium ConditionPNHoleSilicon (p -type)Silicon (n -type)**21 *21*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件Thermal Equilibrium Condition**22 *22*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件2. PN结的单向导电性PN结的电流电压关系：I=IS[exp(qV/kT)-1]IS—是反向饱和电流V— 外加电压**23 *23*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件3. PN结的穿通——是指空间电荷区随反向电压的 升高而展宽到与电极接通而发生的 短路现象需要承受很高的反向电压而正向导 通时的电流容量又要很大的PN结 比较容易碰到穿通问题**24 *24*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件空间电荷区P + nPN结的穿通**25 *25*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件4. PN结的反向击穿PN结反向电压增加过大，达到 反向击穿电压VBR时，反向电流将会 急剧增加，破坏了PN结反向偏置为 截止的工作状态，这种状态称为反 向击穿。

26 *26*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件Ø雪崩击穿Ø齐纳击穿Ø热击穿PN结的反向击穿型式：**27 *27*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件雪崩击穿雪崩击穿是电力半导体器件中最常见的击穿现象 为同时满足正反两种偏置状态要求（正向导通电流容量大、反向耐压高），功率器件的PN结通常为单边突变结 **28 *28*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件击穿机理：反向电压VR↑—空间电荷区内电场强度↑ — 载流子漂移运动的动能↑—与晶体原子发生碰撞使之电离 — 空间电荷层载流子浓度↑ （数目倍增）—反向电流IR ↑ — 单向导电性遭到破坏（击穿）**29 *29*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件雪崩击穿通常发生在空间电荷区较 宽的轻掺杂一侧，对于单边突变结，雪 崩击穿电压UB随着轻掺杂区的杂质浓度 的升高而下降如硅P+N结的雪崩击穿 电压： UB=1.69×1018N-3/4特点：当N从1019升高到5×1020m-3， UB从大 约9500V下降到500V左右 **30 *30*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件**31 *31*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件2、齐纳击穿（隧道击穿 ） 击穿机理：反向电压VR ↑—能带弯曲量↑ — P 区与N区之间能带间距↓—隧道电流 ↑—反向电流IR ↑ — 单向导电性遭 到破坏（击穿）**32 *32*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件特点：齐纳击穿在重掺杂PN结中才 会发生。

主要取决于空间电荷区 内的最大电场（一般约为 2×105V/cm）掺杂浓度越高，齐纳击穿电压 越低33 *33*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件雪崩击穿和隧道击穿的主要区别• 隧道击穿主要取决于空间电荷区中的最大电场 ；雪崩击穿除了与电场有关外,还与空间电荷区 宽度有关 • 雪崩击穿是碰撞电离的结果，如果用光照等其 他办法，同样会有倍增效应；而上述外界作用 对隧道击穿则不会有明显的影响 • 隧道击穿电压随着温度的增加而降低，温度系 数为负数；而雪崩击穿电压随着温度的增加而 增加，温度系数为正数 34 *34*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件3、热击穿 PN结中电流：T↑→Js↑ → 损耗↑ →T j↑ → 击穿**35 *35*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件5、PN结的热效应理想PN结的电流电压方程 ：二极管的电流在一定电压下将是温度 的函数36 *36*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件Temperature EffectsDiode current will increase as a specific voltage for both bias polarities v 通态压降UF是温度的函数 。

在电流密度 较小时，其温 度系数是负数 电流密度较 大时，其温度 系数为正37 *37*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件v PN结的反向电流 会随着结温的上升而增 大v 温度升高还会使得 PN结的雪崩击穿电压 UB提高为避免这些热效应严重影响结型器件的稳定性， 必须采用有效的散热措施，因而电力电子装置中 的功率器件大多安装在带特制散热器的基座上38 *38*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件6、PN结的电容效应PN结结的电电荷量随外加电压电压 而变变化，呈现电现电 容效应应，称为为 结电结电 容CJ，又称为为微分电电容结电结电 容按其产产生机制和作用 的差别别可分为势垒电为势垒电 容CT和扩扩 散电电容CD 39 *39*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件1、势垒电容（CT） ：PN结外加电压变化—空间电荷 层宽度变化—PN结空间电荷层电荷 量变化—电容效应势垒电容在外加电压变化时才起 作用，外加电压频率越高，势垒电容 的作用越显著势垒电容的大小与PN 结截面积成正比，与阻挡层的厚度成 反比**40 *40*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件2、扩散电容CD：PN结耗尽层外扩散长度内 存储的电荷数，随外加电压变 化，正向电流越大，存储的电 荷越多。

亦表现出电容效应 称为扩散电容**41 *41*第2章 功率二极管常州信息职业技术学院新 型 功 率 器 件3、CT、CD随电压在CJ中所占的比例：正向偏置条件下，当正电压较低时 ，扩散运动较弱，势垒电容占主要成份 ；正向电压较高时，扩散运动加剧，使 扩散电容按指数规律上升，成为PN结的 主要成份反向偏置状态下，因扩散运动被抑 制，因而表现出较小的扩散。